고분자공학실험 | 스티렌의 현탁중합

TIP

 

 

자유라디칼 중합의 다른 방법인 현탁 중합법을 사용하여 고분자를 합성한다.

 

 

 

현탁 중합

단량체를 라디칼 중합시켜 고분자 화합물을 얻는 중합 방법 중에서 용액 중합에서 용매를 사용하여 벌크 중합의 단점을 보완하였다. 그러나 용매를 사용함으로써 생산원가나 작업성에 문제점이 많아 용매 대신에 물과 같은 비활성의 매질을 사용하여 중합하는 방법을 현탁 중합(Suspension Polymerization) 또는 진주 중합(Pearl Polymerization)이라 한다. 단량체를 비활성의 매질 속에서 0.01～0.1㎜ 정도 입자로 분산시켜 중합하면 중합 반응 결과 얻어지는 고분자화합물은 비드 같은 입자로 되어 침강하므로 이를 비드 중합이라고도 하며 벌크 중합이나 용액 중합과 같은 반응기구로 반응이 진행된다.

 

일반적으로 단량체는 비활성 매질(보통 물)에 대한 용해도가 적고 또한 비활성 매질은 단량체나 생성중합체에 대하여 불활성이어야 한다. 현탁 중합계의 주요 특성은 단량체와 물을 교반하면 단량체는 작은 유적 상으로 되어 물속에 분산하지만 교반을 그치면 작은 유적상이 서로 뭉쳐서 큰 덩어리가 되고 결국에는 완전 분리되므로 심하게 교반을 해주거나 또는 안정제를 첨가해 주어야 한다.

 

안정제에는 두 가지 형태가 있는데 보호콜로이드에 속하는 것은 젤라틴, 녹말, CMC 등과 같은 천연고분자나 그 유도체, 폴리비닐알코올, 부분 비누화된 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산염과 같은 수용성의 합성 고분자화합물들이고, 미분말상 무기염은 BaSO₄, CaSO₄, CaCO₃, MgCO₃ 등의 불용성 무기염류, 규산, 규조토, 벤조나이트와 같은 무기고분자 화합물로서 이들은 물과 분산된 단량체의 계면에 위치하면서 계면장력을 낮추어 단량체상이 응집되지 않도록 한다. 이와 같은 현탁 안정제는 고분자 생성 입자의 크기나 형태뿐만 아니라, 투명성 필름형성에도 영향을 미치며 수용액상에서 단량체의 용해도도 증가시키는 역할을 한다.

 

현재까지 현탁 안정제의 구조나 특성이 어떤 특정한 현탁 중합 공정에서 반응물을 안정화시킬 수 있는가 하는 것에 대해 이론적으로 밝혀진 것은 없지만 보호콜로이드의 분자량이 큰 화합물이나 농도가 증가되면 생성중합체의 입자의 크기가 작아진다는 것이 알려져 있다. 일반적으로 현탁 안정제와 생성 입자의 크기나 분자량 분포에 대해서는 안정제의 형태, 분자량, 농도 등이 영향을 미친다.

 

교반은 비활성 매질 내에 녹지 않는 기체 단량체를 분산시키거나 물에 유기액체 단량체를 분산시키는 경우, 단량체-용매 균일계에서 녹지 않는 고분자 입자의 생성 등에서 매우 중요한 역할을 한다. 현탁 중합에서 회전 속도가 생성입자의 크기에 미치는 영향을 보면 회전 속도와 교반기의 형태에 따라서 0.001～0.5㎝의 직경을 갖는 입자를 얻을 수 있다. 더욱이 이들은 반응 내에서 열 교환을 쉽게 해주어 반응 조건을 쉽게 조절할 수 있다. 교반은 단량체가 고분자로의 전환율이 20～70%인 범위 내에서 특히 중요한데 그 이유는 20% 미만에서는 단량체인 유기상의 점도가 낮아 재 현탁이 용이하며 70% 이상에서는 고분자 생성입자들이 단량체상내에서 딱딱하게 되어 응집이 쉽게 일어나지 않기 때문이다.

 

일반적으로 현탁 중합법으로 가장 많이 사용하고 있는 고분자화합물은 폴리염화비닐(PVC)이나 그 단량체는 기체로서 중합장치가 고압 반응 장치어야하며 중합 조건도 조절하기가 어려워 단량체가 액체인 스티렌을 선정하여 실험하기로 하였다.

 

 

실험 방법

실험 1 : BPO의 양 변화

1) 2구 플라스크에 PVA 0.61 g + 증류수 120 ㎖ + BPO 0.1 g을 넣고 교반을 하였다.

2) 1)에 스티렌 20 g을 넣고 계속 교반 하였다.

3) 온도를 90℃를 유지하면서 3시간 이상 가열하였다.

4) BPO의 양을 0.1 g, 0.2 g, 0.4 g, 0.8 g으로 변화를 주어 변화량을 관찰하였다.

5) 반응이 끝난 후, 교반을 계속하면서 찬물로 식혔다.

6) 300 ㎖ 증류수를 넣어 묽게 하고 미 반응된 물질을 감압 여과 하였다.

7) 감압 여과 후 얻어진 중합체는 80℃ drying oven에서 건조시켰다.

 

실험 2 : PVA의 양 변화

1) 2구 플라스크에 PVA 0.2 g + 증류수 120 ㎖ + BPO 0.1 g을 넣고 교반을 하였다.

2) 1)에 스티렌 20 g을 넣고 계속 교반 하였다.

3) 온도를 90℃를 유지하면서 3시간 이상 가열하였다.

4) PVA의 양을 0.2 g, 0.6 g, 0.8 g, 1.0 g으로 변화를 주어 변화량을 관찰 하였다.

5) 반응이 끝난 후, 교반을 계속하면서 찬물로 식혔다.

6) 300 ㎖ 증류수를 넣어 묽게 하고 미 반응된 물질을 감압 여과 하였다.

7) 감압 여과 후 얻어진 중합체는 80℃ drying oven에서 건조시켰다.

 

실험 3 : 스티렌의 양 변화

1) 2구 플라스크에 PVA 0.4 g + 증류수 120 ㎖ + BPO 0.1 g을 넣고 교반을 하였다.

2) 1)에 스티렌 5 g을 넣고 계속 교반 하였다.

3) 온도를 90℃를 유지하면서 3시간 이상 가열하였다.

4) 스티렌의 양을 5 g, 10 g, 15 g, 30 g으로 변화를 주어 변화량을 관찰 하였다.

5) 반응이 끝난 후, 교반을 계속하면서 찬물로 식혔다.

6) 300 ㎖ 증류수를 넣어 묽게 하고 미 반응된 물질을 감압 여과 하였다.

7) 감압 여과 후 얻어진 중합체는 80℃ drying oven에서 건조시켰다.

 

 

 

[고분자공학실험]스티렌의 현탁중합 레포트